Química medicinal

Introdução

A química medicinal é uma disciplina que engloba o design, desenvolvimento e síntese de fármacos. A disciplina combina conhecimentos de química, especialmente química orgânica sintética, farmacologia, e outras ciências biológicas. É também parte da química medicinal a avaliação das propriedades dos medicamentos existentes.

O uso de plantas, minerais e partes animais como medicamentos tem sido registrado desde as civilizações mais antigas. Com a evolução do conhecimento, os meios para a descoberta de medicamentos também evoluíram. Novas moléculas com potencial interesse farmacêutico, “hits”, são produtos naturais, ou compostos gerados pela química computacional, ou compostos de uma triagem de bibliotecas químicas, da química combinatória, e da biotecnologia farmacêutica. O composto “hit” é melhorado por suas propriedades farmacológicas, farmacodinâmicas e farmacocinéticas por modificações químicas ou de grupos funcionais, transformando-o em um composto de chumbo. Um composto de chumbo deve ter uma estrutura conhecida e um mecanismo de ação conhecido. O composto de chumbo é ainda mais otimizado para ser um candidato a medicamento seguro para uso em ensaios clínicos em humanos (Figura 1) .

Medicinal Chemistry figure 1

Figure 1. Um prazo para a descoberta de medicamentos.

Drug Discovery
Produtos naturais

Produtos naturais têm sido as principais fontes de compostos de chumbo na descoberta de novos medicamentos para o tratamento de doenças infecciosas, distúrbios lipídicos, doenças neurológicas, doenças cardiovasculares e metabólicas, doenças imunológicas, inflamatórias e relacionadas, e doenças oncológicas (Tabela 1) . Das entidades farmacêuticas aprovadas mundialmente entre 1981 e 2006, 5,7% eram produtos naturais e 27,6% eram moléculas derivadas de produtos naturais, enquanto que de 2005 a 2010, sete produtos naturais e 12 derivados de produtos naturais foram aprovados para uso na prática clínica. A medicina tradicional, no entanto, também pode produzir falsas pistas, conforme revisto recentemente para a curcumina .

Área da doença Nome genérico (nome comercial) Composto de chumbo Ano
Antibacteriano Doripenem (Finibax/Doribax®) Tienamicina 2005
Antiparasitário Fumagillin (Flisint®) Fumagillin 2005
Oncologia Romidepsina (Istodax®) Romidepsina 2009
Doença de Alzheimer Galantamina (Reminyl®) Galantamine 2002
Immunosupressão Micofenolato de sódio (Myfortic®) Ácido micofenólico 2003
Dislipidemia Rosuvastatina (Crestor®) Mevastatina 2003
Pain Capsaicin (Istodax®) Capsaicin 2009
Diabetes Exenatide (Byetta®) Exenatide 2006
Tabela 1. Exemplos de produtos naturais e derivados naturais atualmente em uso clínico.

Seleção de um organismo

Os compostos naturais têm alta diversidade química. Eles vêm de diferentes organismos. A escolha de plantas, microorganismos, fungos ou outros organismos para investigação de novos compostos tende a ser baseada em triagem aleatória, seleção de grupos taxonômicos específicos, um grupo quimiotaxonômico de metabólitos secundários como alcalóides, vigilância de base de dados de uma coleção de espécies, ou abordagem etnomédica. Diversos fármacos traçam a sua origem ao uso etnobotânico.

Recolha de amostras

0,3 a 1 Kg de planta seca ou 1 Kg de peso úmido de amostras marinhas devem ser coletados de diferentes partes do organismo. Se a amostra precisar de ser recolhida de novo, deve ser feita na mesma localização e ao mesmo tempo durante o dia, uma vez que habitats diferentes podem levar a metabolitos secundários diferentes. Também é importante o depósito de um comprovante representativo em um repositório central, para posterior acesso. Além das plantas, na última década o interesse por fungos, cianobactérias de origem marinha e a evolução das técnicas de “mineração do genoma” para o cultivo de microorganismos em laboratório levou à descoberta de novos produtos naturais .

Extração

Os protocolos de extração diferem de laboratório para laboratório. A extração inicial das plantas geralmente é feita com um solvente polar, como o metanol ou o etanol. É então sujeita a um processo de desengorduramento através da partição com um solvente não polar, como o hexano ou o éter de petróleo. O extrato é dividido entre um solvente semipolar, como o clorofórmio ou o diclorometano, e um solvente aquoso polar. Os organismos marinhos e aquáticos são extraídos frescos com metanol ou diclorometano. Os taninos vegetais têm de ser removidos dos extractos. A sua presença pode levar à precipitação de proteínas e inibição enzimática, interferindo com os ensaios biológicos.

Purificação e isolamento

Separação do composto activo é feita usando várias técnicas cromatográficas. A cromatografia líquida de alta pressão (HPLC) e seu acoplamento com os ensaios de triagem de alto rendimento (HST) simplificam a purificação e o isolamento dos compostos ativos. Os compostos são identificados por ressonância magnética nuclear (RNM) e espectrometria de massa (EM). Estas técnicas, quando acopladas à cromatografia líquida (LC), permitem a purificação simultânea e a elucidação da estrutura dos compostos biologicamente ativos. A purificação e o isolamento do composto activo são medidos por ensaios biológicos. Os ensaios HTS podem avaliar um grande número de extratos ou compostos em um contexto celular ou não celular.

Além do HPLC, um novo método que combina cromatografia de contracorrente de alta velocidade (HSCCC) e cromatografia de exclusão de tamanho com um Sephadex LH-20 tem sido efetivamente aplicado para extrair compostos neuroprotetores das algas marinhas marrons, Ecklonia maxima . A estrutura dos compostos isolados foi verificada por RMN e MS.

O maior desafio no desenvolvimento de compostos naturais é obter quantidades significativas para o desenvolvimento posterior. A recoleção das espécies de origem, ou cultivo de tecidos vegetais, ou cultivo e fermentação em larga escala para micróbios de origem terrestre pode produzir os compostos em larga escala . Os compostos naturais também podem ser sintetizados. Por exemplo, Kawano S et al conseguiram a síntese total de um dos halichondrinas, um grupo de produtos naturais estruturalmente complexos isolados de várias esponjas marinhas, e abordaram a questão do fornecimento limitado de material .

Química computacional

Modelagem molecular, ou mais geralmente, química computacional, tornou-se uma parte bem estabelecida do desenvolvimento de medicamentos. A modelagem molecular busca novas moléculas, com base em uma plataforma teórica ou através da triagem de uma biblioteca. Informações cristalográficas e/ou NMR sobre receptores e alvos específicos, como o do regulador de condutância de fibrose cística transmembrana (CFTR) , permite através de técnicas de modelagem molecular, o desenho de novas moléculas para o alvo. Outras abordagens usam moléculas ativas conhecidas como alvo, e projetam novas moléculas ou buscam nas bibliotecas moléculas similares (Figura 2).

A modelagem das interações proteína-proteína (PPI) está se tornando uma ferramenta valiosa para o desenvolvimento de novas estratégias terapêuticas visando modificadores seletivos de PPI. Por exemplo, um novo método combina a espectrometria de massa de ligação cruzada com abordagens de modelagem para gerar inibidores de anticorpos da interação entre R7BP, um regulador da sensação de coceira, e RGS7/Gβ5 . A atividade inibitória foi avaliada por espectroscopia de ressonância plasmônica de superfície.

 Química Médica figura 2

Figura 2. A química computacional aborda o desenvolvimento de novas drogas.

As moléculas encontradas “atingidas” podem ser sintetizadas no laboratório ou adquiridas. Após avaliação e divulgação da relação estrutura-actividade (SAR), novos estudos de modelação molecular podem ser realizados para encontrar uma molécula mais activa ou para optimizar a molécula encontrada (Figura 2).

A química computacional é baseada na visualização e manipulação de modelos moleculares tridimensionais. Rotação de ligações, construção de estruturas, mecanismos moleculares e/ou dinâmica, análise conformacional, propriedades eletrônicas, visualização de superfície molecular e cálculo de várias propriedades físicas são possíveis através da modelagem molecular. As técnicas utilizadas são mecanismos moleculares e simulações de dinâmica molecular, técnicas de Monte Carlo, docking ligand, e métodos de triagem virtual.

Os sistemas atuais de última geração permitem trabalhar com mais de 20 moléculas e milhares de pontos de superfície molecular em tempo real. Cada molécula pode ser rotulada e controlada em três dimensões, onde as distâncias intramoleculares e os ângulos diédricos não contíguos podem ser ajustados e monitorados. A forma, carga e hidrofobicidade dos átomos da molécula também podem ser simuladas. O gradiente de potencial eletrostático ou campo elétrico também pode ser exibido graficamente usando vetores curtos. A modelagem molecular requer make-bond, break-bond, anéis fusíveis, delete-atom, add-atom, add-hydrogens, centro quiral invertido, etc. Estas operações devem permitir uma estrutura refinada para um alvo selecionado.

Um método de aprendizagem de reforço baseado em fragmentos foi implementado para projetar novos compostos com funções específicas . Este método, otimização multi-parâmetros baseada em fragmentos profundos, usa redes de memória de longo prazo para criar novas moléculas com propriedades necessárias a partir de compostos de chumbo, modificando suas partes. Um modelo crítico de atores, a base desta abordagem, implementa a aprendizagem da diferença temporal.

Sistemas transversais foram desenvolvidos para armazenar e recuperar a informação gerada pela modelagem molecular. O número de novas moléculas geradas pela modelagem molecular pode ser de milhares para um alvo, tornando a síntese e avaliação biológica de todas essas novas moléculas um desafio. O desenvolvimento de rastreamentos virtuais permitiu superar o problema anterior. Após a avaliação de triagem virtual, apenas as moléculas com a atividade biológica necessária seriam sintetizadas ou adquiridas para uma avaliação biológica posterior.

Click chemistry

Click chemistry is a new method to synthesize drug-like compounds that can potentiate the drug discovery by using practical and straightforward reactions. Por exemplo, um hidrogel biomimético foi sintetizado para o encapsulamento celular baseado em gelificação de hidrogel. A síntese tem sido realizada ligando ácido hialurônico e sulfato de condroitina com diacrilato de polietilenoglicol e modificando graus de tiol de glicosaminoglicanos. O encapsulamento tem mostrado a alta viabilidade celular e tem sido eficaz no estudo de respostas celulares em 3D.

Também, técnicas de química do clique, o rastreamento baseado na citometria de fluxo combinado tem sido aplicado para gerar aptamers . Esta abordagem mostra várias vantagens, tais como a capacidade de realizar uma variedade de modificações químicas e de triagem de um grande número de aptamers. Em particular, aptamers com alta afinidade com epinefrina e concavalina A foram gerados.

Bases de dados químicos

Uma abundância de compostos é sintetizada e avaliada biologicamente, quase diariamente. Nos últimos anos, cerca de 2000-3000 compostos foram publicados nas principais revistas de química medicinal.

PubChem, CheMBL e BindingBD são bases de dados públicas de compostos e sua bioatividade. Outras bases de dados como ChemBank e IUPHARDB também estão disponíveis (Tabela 2). Drug Repurposing Hub e ZINC15 são usados para triagem virtual, por exemplo, para novos antibióticos .

O Instituto Nacional de Saúde (NIH) fundou em 2004 a base de dados PubChem, uma biblioteca pública que contém mais de 33 milhões de compostos. O principal objetivo desta base de dados é coletar e disseminar informações sobre as atividades biológicas de pequenas moléculas. Começou coletando os bioensaios realizados no NIH, hoje aceita dados de outras fontes, como deposições. PubChem não inclui informações extraídas da literatura, porém a incorporação de dados da CheMBL e BindingBD permite o acesso a vários conjuntos de dados da literatura curada. Em setembro de 2019, o banco de dados contém 96.324.655 compostos, 235.712.478 substâncias, 1.067.644 bioensaios, 268.177.463 bioatividades, 17.847 metas protéicas e 58.029 metas genéticas.

Nome da base de dados Número de compostos Website
PubChem 96 milhões http://pubchem.ncbi.nlm.nih.gov/
CheMBL 1.87 milhões https://www.ebi.ac.uk/chembl/
BindingBD 0.76 milhões http://www.bindingdb.org/bind/index.jsp
ChemSpider 76 milhões http://www.chemspider.com/
DrugBank 13,370 http://www.drugbank.ca/
SwissADME http://www.swissadme.ch/
Tabela 2. Exemplos seleccionados de bases de dados químicos, a partir de Setembro de 2019.

CheMBL foi iniciado com um conjunto de produtos comerciais, tornou-se público em Janeiro de 2010. Esta biblioteca capta dados da literatura em química medicinal. No âmbito desta base de dados estão as afinidades proteínas-ligandas e dados baseados em células. Mais recentemente a ChEMBL incorporou proteínas terapêuticas e outros tipos de medicamentos além dos dados sobre pequenas moléculas . A versão ChEMBL24_1 contém 1.879.206 compostos, 1.125.387 ensaios, 12.481 alvos, e 72271 documentos, a partir de setembro de 2019.

BindingBD originado em um ambiente acadêmico, no final dos anos 90. Esta base de dados inicialmente focava pequenas moléculas com atividade biológica relatada. BindingBD foca nas condições e fatores relatados para influenciar o resultado do ensaio, tais como pH, temperatura e substratos. A triagem virtual pode ser realizada diretamente usando as ferramentas do site BindingBD . Em setembro de 2019, BindingDB contém 1.714.438 dados de ligação, para 7.336 alvos de proteína e 761.317 moléculas pequenas.

Com o crescente número de compostos sendo publicados a cada ano, a importância das bibliotecas químicas com livre acesso na descoberta de medicamentos é fundamental.

Química combinatória

A química combinatória é definida como a síntese laboratorial ou desenho assistido por computador de um grande número de moléculas, a partir de um andaime. O andaime deve ter diversos pontos de modificação, através da combinação com moléculas conhecidas ou moléculas derivadas de um estudo de modelagem molecular. A química combinatória tem sido usada para otimizar um composto de chumbo .

Uma das melhores abordagens em química combinatória é usar um andaime central com vários substitutos, que pode ser modificado independentemente. Esta abordagem aumenta a possibilidade de se encontrar uma molécula “golpeada”, uma vez que as moléculas sintetizadas têm uma maior diversidade molecular .

Síntese paralela, um método de química combinatória, permite a formação de um grande conjunto de compostos. A mistura formada pode ser testada quanto à atividade biológica. Se a mistura não tiver actividade pode ser arquivada e posteriormente testada para outras actividades biológicas. Quando a mistura se revela ativa, o desafio torna-se o isolamento do composto ativo. Uma das desvantagens das moléculas sintetizadas na química combinatória é que ela tem pouca diversidade, em comparação com os compostos naturais.

A maior parte da síntese combinatória é realizada através de técnicas de fase sólida. O material de partida é ligado, diretamente ou através de um linker, a um grânulo. Os reagentes são adicionados e o produto é formado. Este procedimento pode ser repetido várias vezes usando o produto previamente formado como material inicial (Figura 3). O produto pode ser retirado do grânulo ou directamente testado com o grânulo ligado, para actividade biológica. O grânulo reduz as reacções laterais e a formação de subprodutos. Os ligadores devem ser resistentes às condições de reacção e facilmente removidos após a síntese.

Medicinal Chemistry figure 3

Figure 3. Esquema simplificado de química combinatória.

As técnicas simples de química combinatória permitem a síntese de um produto por vaso. Métodos mais complexos, como a síntese combinatória mista, permitem a síntese de misturas complexas. Técnicas manuais para a síntese de um composto por vaso, como o procedimento do saco de chá de Houghton, ainda são utilizadas. A síntese paralela automatizada é atualmente o método mais utilizado.

A síntese de grandes quantidades de compostos diversos faz freqüentemente uso da técnica de mistura e divisão. Neste método, a primeira mistura de compostos sintetizados é dividida em n partes, as n partes são novamente sujeitas a uma nova modificação, sintetizando z novas misturas (z = n × número de diferentes modificações). Este procedimento pode ser repetido até que o número de modificações desejadas seja atingido. As misturas podem ser testadas antes que uma nova modificação seja realizada. Isto excluirá misturas onde nenhuma atividade biológica é observada, evitando modificações adicionais.

Quando uma mistura é biologicamente ativa, técnicas de micromanipulação, deconvolução recursiva e liberação sequencial podem ser usadas para separar o(s) composto(s) ativo(s). A identificação e elucidação estrutural são realizadas após o isolamento do(s) composto(s) ativo(s).

A avaliação das bibliotecas geradas pela química combinatória é geralmente feita pelo HTS . Métodos de triagem usando fluorescência e quimoluminescência estão sendo desenvolvidos; os quais permitem a identificação simultânea dos compostos ativos.

A química combinatória também traz claras vantagens para a pesquisa de nanomateriais. Em particular, ajuda a realizar a síntese controlada por quiralidade. Um método recentemente desenvolvido permite a montagem de precursores de nanotubos de carbono com qualquer quiralidade possível em uma única etapa . A geração de precursores é seguida pela fixação na superfície metálica, ciclodehidrogenação e alongamento dos nanotubos de carbono com quiralidade estabelecida.

Biotecnologia farmacêutica

Biotecnologia farmacêutica é uma área recente da química medicinal, produzindo novos produtos terapêuticos e de diagnóstico. Os produtos comuns são peptídeos e proteínas, hormônios de diferentes origens e enzimas, incluindo vacinas e anticorpos monoclonais (Tabela 3). A descoberta de novos medicamentos em biotecnologia farmacêutica é feita através da genômica, transcriptômica, proteômica, farmacogenômica e metabólica.

Área da doença Nome genérico (Nome comercial) Tipo de bioproduto
Tipo II diabetes Exenatide (Byetta®) Peptídeo
Oncologia (câncer de próstata) Degarelix (Firmagon®) Peptídeo
Osteoporose Teriparatide (Forteo®) Hormônio
Tipo I diabetes Glucagon (GlucaGen®) Hormônio
Hepatite C Interferão do Consenso (IFN Alfacon-1®) Enzima
Artrose reumática Anakinra (Kineret®) Enzima
Polio Polio (Ipol®) Vaccine
Mesas Rubella (Meruvax®) Vacina
Lúpus Belimumab (Benlysta®) Anticorpo monoclonal
Asma Omalizumab (Xolair®) Anticorpo monoclonal
Tabela 3. Alguns exemplos de produtos farmacêuticos biotecnológicos atualmente em uso clínico.

Otimização de chumbo

A otimização de um composto de chumbo pode ser feita após um composto “hit” ser encontrado através de avaliação biológica. A otimização visa melhorar a absorção, distribuição, metabolismo e excreção do medicamento (propriedades ADME), redução da toxicidade e melhoria da eficácia.

A otimização pode ser feita através de síntese química, química computacional ou/e química combinatória. Estes devem levar em conta os estudos de SAR e o mecanismo preliminar de ação. A otimização de chumbo pode direcionar a pesquisa para a síntese de um novo farmacoforo ou de uma molécula mais ativa (Figura 1). As técnicas utilizadas para optimização de chumbo sobrepõem-se à descoberta de fármacos.

Um composto de chumbo pode ser modificado através dos seus grupos funcionais para conseguir uma melhor absorção, para evitar a degradação enzimática e para melhorar o perfil de excreção. A melhoria da absorção pode ser feita através da síntese de um pró-fármaco. Para evitar a degradação enzimática, o grupo alvo pode ser modificado para bloquear a ação de uma enzima metabólica chave. O perfil de excreção pode ser melhorado através da modificação química do composto de chumbo a fim de reduzir a ligação à albumina, por exemplo. A síntese orgânica também pode melhorar as propriedades farmacológicas de uma molécula de chumbo, aumentando a bioactividade e reduzindo os efeitos secundários.

O composto de chumbo pode ser modificado pela combinação com uma série de moléculas de bibliotecas químicas ou de modelagem molecular. Isto pode ser conseguido através das técnicas de química combinatória previamente descritas. Este procedimento é especialmente útil em leads com diferentes grupos funcionais, que podem ser modificados independentemente através de técnicas de mistura e divisão. As modificações realizadas pela química combinatória podem melhorar as propriedades ADME e aumentar a especificidade e eficácia da molécula de chumbo.

A modulação computacional de uma molécula de chumbo pode aumentar a especificidade quando a imagem estrutural 3D do alvo está disponível, adequando a molécula ao alvo. O uso de química computacional para produzir ajustes quase perfeitos para um alvo também reduz a probabilidade de efeitos colaterais e toxicidade. A química computacional também é útil para criar e rastrear compostos de chumbo praticamente com melhores propriedades de absorção e menos degradação metabólica.

Os compostos naturais podem ser sujeitos à optimização do chumbo, com modificações químicas, optimização da formulação, e melhoria da farmacocinética. É relevante referir que algumas importantes conclusões de SAR podem ser alcançadas pela observação da atividade biológica dos compostos isolados em paralelo com o composto de chumbo .

Os compostos selecionados a partir da modelagem molecular e triagem de bibliotecas químicas e combinatórias podem ser submetidos à otimização pelas técnicas descritas. Isto tem como objetivo melhorar as propriedades farmacocinéticas e farmacológicas dos compostos. A SAR entre os diferentes compostos também pode ser desenhada nesta fase.

Os estudos em torno de um potencial candidato a fármaco podem sempre voltar ao desenvolvimento da molécula de chumbo em qualquer ponto de distribuição dos estudos pré e clínicos. A interação de diversos campos, como química, biologia, bioquímica, farmacologia e medicina, contribui para o sucesso do desenho de medicamentos.

Declarações

Dr. Konstantin Yakimchuk atualizou o artigo e adicionou seções sobre química do clique em setembro de 2019.

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